Première preuve de répétition pendant le sommeil dans le cortex moteur humain, qui contrôle les mouvements volontaires – Neuroscience News

Aperçu: Les données recueillies auprès d’un homme tétraplégique qui a appris à un BCI à jouer Simon ont montré que le cerveau répète les informations apprises pendant le sommeil.

La source: général de masse

Pourquoi dormons-nous ? Les scientifiques débattent de cette question depuis des millénaires, mais une nouvelle étude menée par des chercheurs du Massachusetts General Hospital (MGH), menée en collaboration avec des collègues de la Brown University, du Department of Veterans Affairs et de plusieurs autres institutions, ajoute de nouveaux indices à la solution de ce problème. mystère.

Leurs conclusions, publiées dans le Journal des neurosciencespeut aider à expliquer comment les gens forment et apprennent des souvenirs, et pourrait finalement aider à développer des outils pour les personnes souffrant de troubles ou de blessures neurologiques.

Les scientifiques qui ont étudié les animaux de laboratoire il y a longtemps ont découvert un phénomène connu sous le nom de « rejeu » qui se produit pendant le sommeil, explique le neurologue Daniel Rubin, MD, Ph.D., du MGH Center for Neurotechnology and Neurorecovery, l’auteur principal de l’étude.

La relecture est considérée comme une stratégie que le cerveau utilise pour se souvenir de nouvelles informations. Si une souris est entraînée à naviguer dans un labyrinthe, l’équipement de surveillance peut montrer qu’un schéma spécifique de cellules cérébrales, ou neurones, s’allume lorsqu’il parcourt le bon chemin.

« Ensuite, pendant que l’animal dort, vous pouvez voir que ces neurones se déclenchent à nouveau dans le même ordre », explique Rubin. Les scientifiques pensent que cette répétition de décharges neuronales pendant le sommeil est la façon dont le cerveau utilise les informations nouvellement apprises, permettant à une mémoire d’être consolidée, c’est-à-dire convertie d’une mémoire à court terme en une mémoire à long terme.

Cependant, la relecture n’a été démontrée de manière convaincante que chez les animaux de laboratoire.

« Il y a une question ouverte dans la communauté des neurosciences : dans quelle mesure ce modèle de la façon dont nous apprenons les choses est-il vrai chez l’homme ? Et cela s’applique-t-il à différents types d’apprentissage ? » demande le neurologue Sydney S. Cash, MD, Ph.D., codirecteur du Centre de neurotechnologie et de neurorécupération au MGH et co-auteur principal de l’étude.

Surtout, dit Cash, comprendre si la répétition se produit dans l’apprentissage des habiletés motrices pourrait aider à développer de nouvelles thérapies et de nouveaux outils pour les personnes souffrant de troubles et de blessures neurologiques.

Pour déterminer si la répétition se produit dans le cortex moteur humain – la zone du cerveau qui contrôle le mouvement – ​​Rubin, Cash et leurs collègues ont embauché un homme de 36 ans atteint de tétraplégie (également appelée quadriplégie), ce qui signifie qu’il bouge son le haut et le bas de la jambe ne peuvent pas bouger. membres inférieurs, dans son cas en raison d’une lésion de la moelle épinière.

L’homme, identifié dans l’étude comme T11, participe à un essai clinique d’un dispositif d’interface cerveau-ordinateur qui lui permet d’utiliser un curseur et un clavier d’ordinateur sur un écran.

Le dispositif de recherche est développé par le consortium BrainGate, une collaboration entre cliniciens, neuroscientifiques et ingénieurs de diverses institutions dans le but de créer des technologies pour restaurer la communication, la mobilité et l’indépendance chez les personnes souffrant de troubles neurologiques, de blessures ou de perte de membres. Le consortium est dirigé par Leigh R. Hochberg, MD, Ph.D., du MGH, de l’Université Brown et du Département des anciens combattants.

Dans l’étude, on a demandé à T11 d’effectuer une tâche de mémoire, similaire au jeu électronique Simon, dans laquelle un joueur observe un motif de lumières colorées clignotantes, puis doit se rappeler et reproduire cette séquence. Il contrôlait le curseur sur l’écran de l’ordinateur simplement en pensant au mouvement de sa propre main.

Des capteurs implantés dans le cortex moteur du T11 mesuraient des schémas de déclenchement neuronal, qui reflétaient le mouvement de sa main, lui permettant de déplacer le curseur sur l’écran et de cliquer dessus aux endroits souhaités. Ces signaux cérébraux ont été enregistrés et envoyés sans fil à un ordinateur.

Cette nuit-là, alors que T11 dormait chez lui, l’activité de son cortex moteur a été enregistrée et envoyée sans fil à un ordinateur.

« Ce que nous avons trouvé était assez incroyable », dit Rubin. « Il a en fait joué au jeu dans son sommeil la nuit. »

À plusieurs reprises, dit Rubin, les schémas de déclenchement neuronal de T11 pendant le sommeil correspondaient exactement aux schémas qui se produisaient alors qu’il effectuait le jeu de correspondance de mémoire plus tôt dans la journée.

« C’est la preuve la plus directe de la récurrence du cortex moteur jamais vue pendant le sommeil chez l’homme », a déclaré Rubin.

La plupart des récidives détectées dans l’étude se sont produites pendant le sommeil lent, une phase de sommeil profond. Fait intéressant, la récidive était beaucoup moins susceptible d’être détectée pendant que T11 était en sommeil paradoxal, la phase la plus associée au rêve. Rubin et Cash voient ce travail comme une base pour en savoir plus sur la relecture et son rôle dans l’apprentissage et la mémoire humaine.

« Nous espérons que nous pourrons utiliser ces informations pour créer de meilleures interfaces cerveau-ordinateur et concevoir des paradigmes qui aident les gens à apprendre plus rapidement et plus efficacement pour reprendre le contrôle après une blessure », a déclaré Cash, soulignant l’importance de déplacer cette ligne de recherche des animaux aux humains. .

« Ce type de recherche bénéficie énormément de l’interaction étroite que nous avons avec nos participants », ajoute-t-il, avec l’aimable autorisation de T11 et d’autres participants à l’essai clinique BrainGate.

Hochberg est d’accord. « Nos incroyables participants à BrainGate fournissent non seulement des informations utiles pour créer un système permettant de rétablir la communication et la mobilité, mais ils nous donnent également la rare opportunité de faire progresser les neurosciences humaines fondamentales – pour comprendre comment le cerveau humain fonctionne au niveau des circuits individuels. neurones », dit-il, « et d’utiliser ces informations pour construire la prochaine génération de neurotechnologies réparatrices ».

À propos de cette actualité sur la recherche sur le sommeil et l’apprentissage

Auteur: bureau de presse
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« Les schémas moteurs appris sont rejoués dans le cortex moteur humain pendant le sommeil » par Daniel B. Rubin et al. Journal des neurosciences

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Résumé

Les schémas moteurs appris sont rejoués dans le cortex moteur humain pendant le sommeil

On pense que la consolidation de la mémoire implique la répétition hors ligne de l’activité neuronale. Bien que amplement démontrée chez les rongeurs, les preuves de récidive chez l’homme, notamment en ce qui concerne la mémoire motrice, sont moins convaincantes.

Pour déterminer si la répétition se produit après l’apprentissage moteur, nous avons tenté d’enregistrer le cortex moteur au cours d’une nouvelle tâche motrice et du sommeil qui s’ensuit. Un homme de 36 ans atteint de tétraplégie secondaire à une lésion de la moelle épinière cervicale participant à l’essai clinique pilote d’interface cerveau-ordinateur BrainGate en cours avait deux réseaux de microélectrodes intracorticales à 96 canaux placés de manière chronique dans le gyrus précentral gauche.

L’activité d’unité unique et multiple a été enregistrée en jouant à un jeu de mémoire qui correspondait à la séquence couleur/son. Les mouvements intentionnels ont été décodés à partir de l’activité neuronale corticale motrice par un filtre de Kalman à l’état d’équilibre en temps réel qui permettait au participant de contrôler un curseur à commande neuronale sur l’écran. L’activité neuronale intracorticale du gyrus précentral et l’EEG du cuir chevelu à 2 dérivations ont été enregistrés pendant la nuit pendant qu’il dormait.

Lorsqu’ils sont décodés à l’aide des mêmes paramètres de filtre de Kalman à l’état d’équilibre, les signaux neuronaux intracorticaux enregistrés pendant la nuit rejouent la séquence cible du jeu de mémoire à des intervalles et à une fréquence significativement plus élevés que prévu par hasard. Les événements de relecture se produisaient à des taux allant de 1 à 4 fois plus rapides que l’exécution initiale de la tâche et étaient le plus souvent observés pendant le sommeil à ondes lentes.

Ces résultats démontrent que l’acquisition récente d’habiletés visuomotrices chez l’homme peut être associée à la répétition de l’activité neuronale correspondante du cortex moteur pendant le sommeil.